基于飛艇的能源空間站構(gòu)想

陳中

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

【摘 要】能源系統(tǒng)是影響臨近空間飛行器長時駐空的重要因素。論文提出了基于飛艇平臺構(gòu)建能源空間站的構(gòu)想，從而給飛行器提供一種新型能源獲取方式。論文首先介紹了能源空間站的基本組成與工作原理，在此基礎(chǔ)上分析了能源空間站的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】臨近空間;飛艇;能源空間站;無線輸能

中圖分類號： V274 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.005

Conception of the Energy Space Station Based on Airship

CHEN Zhong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】Energy system is the main factor to restrict the long duration flight of near space vehicle. The paper proposes the method to constructenergy space stationbased on airship，which providing a new energy acquisition to near space vehicle. Firstly， the paper elaborates the basic composition and the operating principle of energy space station， then analyzes the key technologies.

【Key words】Near space; Airship; Energy space station; Wireless power transfer

0 引言

臨近空間由于其獨特的環(huán)境特性成為一新興的軍事研究空域，引起了廣泛關(guān)注[1]，世界各國都在致力于研究飛艇、空飄氣球、無人機等臨近空間飛行器。

目前臨近空間飛行器能源系統(tǒng)通常由太陽能電池與儲能電池組成，這種供電方式存在以下問題：飛行器通常需要鋪設(shè)大面積太陽能電池與攜帶大量儲能電池，能源系統(tǒng)重量占比達到飛行器的30%～50%[2-3]，使得飛行器攜帶任務(wù)載荷的能力低下;當(dāng)飛行器攜帶電子干擾、雷達、激光武器等任務(wù)載荷時（這些載荷工作功率往往在數(shù)十至數(shù)百kW），現(xiàn)有的能源供給方式已無法滿足使用需求，更難以發(fā)揮臨近空間飛行器長時駐空作戰(zhàn)效能。為此，論文提出了基于飛艇的能源空間站構(gòu)想，利用能源空間站給臨近空間飛行器提供電能，為飛行器提供一種新型的能源獲取方式。

1 基于飛艇的能源空間站

以臨近空間飛艇為駐空平臺，最大程度攜帶能源系統(tǒng)，構(gòu)建能源空間站，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。能源空間站空中部分主要包含：飛艇平臺、太陽能電池發(fā)電裝置、儲能電池裝置、平臺無線輸能裝置、能源管理器、無線供能裝置;能源空間站地面部分主要包含地面無線輸能裝置與并網(wǎng)電能變換裝置;其中平臺無線輸能裝置與地面無線輸能裝置實現(xiàn)能源空間站與地面電網(wǎng)之間能源交互，能源空間站利用無線供能裝置給飛行器提供電能。

能源空間站可以通過飛艇平臺所攜帶的太陽能電池發(fā)電獲取電能，亦可以通過無線輸能技術(shù)從地面獲取電能;通過無線供能裝置（微波輸能或激光輸能技術(shù)）給飛行器提供電能。白天光照充足時，能源空間站利用太陽能電池給飛行器供電，同時將多余能量給儲能電池充電;在儲能電池充滿電時，通過無線輸能裝置將電能從空中傳輸至地面電網(wǎng)。夜晚由儲能電池提供電能;在儲能電池電能不足時，能源空間站通過無線輸能裝置從地面電網(wǎng)獲取電能。

2 能源空間站關(guān)鍵技術(shù)分析

能源空間站是基于飛艇平臺構(gòu)建的包含太陽能電池、儲能電池、無線輸能裝置的一種復(fù)合能源系統(tǒng)，需要研究這種新型供電方式的平臺總體設(shè)計、能量管理控制、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 飛艇平臺設(shè)計

飛艇平臺作為能源空間站的升空載體，內(nèi)部充入氦氣產(chǎn)生浮力，克服其自身的重量，從而實現(xiàn)升空懸浮功能;并利用多余浮力攜帶太陽能電池、儲能電池、無線輸能裝置構(gòu)建能源系統(tǒng)。因此，飛艇平臺設(shè)計[4]的首要目標(biāo)：（1）減輕飛艇自身的重量，諸如選用輕型復(fù)合材料技術(shù)，從而利用剩余浮力最大程度攜帶能源系統(tǒng)，提高能源空間站供電能力;（2）降低飛艇平臺自身能源消耗，諸如提高動力系統(tǒng)用電效率，從而為其他飛行器盡可能提供電能。

飛艇平臺結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖2所示，通常太陽能電池布置在飛艇頂部以便于接收太陽光輻射，提高太陽能電池發(fā)電效率;無線輸能共形天線安裝在飛艇下部以便于對準(zhǔn)地面無線輸能發(fā)射系統(tǒng);儲能電池、能源管理器、無線輸能變換裝置安裝于吊艙中，便于能源系統(tǒng)環(huán)控管理。大面積太陽能電池、共形天線以及集中布置的能源吊艙，使得飛艇的氣動布局、結(jié)構(gòu)強度設(shè)計尤為復(fù)雜，需要研究在不影響飛艇平臺氣動性能的條件下，從重量平衡、能量平衡、動力平衡及熱平衡的要求出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計太陽能電池、無線輸能共形天線在飛艇上的布局結(jié)構(gòu)，如太陽能電池的分布式發(fā)電技術(shù)、無線輸能共形天線技術(shù)。

2.2 能源系統(tǒng)電路拓?fù)渑c集成

能源空間站作為一個多能源系統(tǒng)，需研究供電系統(tǒng)的集成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高能源系統(tǒng)的供電可靠性。圖3給出了能源系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，儲能電池通過DC/DC變換器接入直流母線，DC/DC變換器實現(xiàn)儲能電池的充放電管理;太陽能電池通過MPPT控制器接入直流母線，MPPT控制器實現(xiàn)最大功率跟蹤控制;無線輸能裝置共形天線通過多個整流濾波電路接入直流母線。